Kurzfassung
Freie Elektronenlaser (FELs) sind die vierte Generation von Synchrotron Lichtquellen, die im ultravioletten und Röntgenwellenlängenbereich arbeiten. Die Größe und die hohen Kosten solcher Quellen begrenzen deren Handlichkeit. Die in den letzten Jahren aufkommenden neuen Beschleunigungstechniken haben den Weg für die Entwicklung kompakterer Beschleuniger geebnet. Aufgrund der Erzeugung energiereicher Elektronenstrahlen in sehr kurzer Entfernung mit hohem Spitzenstrom gelten Laser-Plasma-Beschleuniger (LPAs) als geeignete Kandidaten für die Konstruktion neuer FELs. Das Hauptproblem bei diesen Arten von Beschleunigern ist die relativ große Energiebreite der Elektronen innerhalb des Strahls. Eine solche große Energieverteilung verhindert den FEL-Prozess, was zu einer Verringerung der Verstärkung und der Leistung führt. Zu diesem Zweck wurden modifizierte Undulatorschemata, sogenannte Transversalgradienten-Undulatoren (TGUs), vorgeschlagen. In dieser Dissertation wird das Konzept eines Transversalgradienten-Undulators eingehend untersucht. Das Konzept basiert auf der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Energien verschiedener Partikel im Strahl. Die Resonanzbedingung kann für alle Teilchen mit unterschiedlichen Energien erfüllt sein, wenn die Positionen und Energien der Teilchen mit dem Magnetfeldgradienten der TGU Korreliert sind. Dies kann durch Einführen einer Dispersion erfolgen, die an den TGU-Gradienten angepasst ist. Das erste supraleitende zylindrische TGU mit 40 Perioden (TGU40) wurde am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gebaut. Es war ursprünglich geplant, ein Experiment mit dem ARES linac in der SINBAD-Anlage in DESY durchzuführen, um seine Fähigkeit zur Kompensation der Energieverteilung zu testen. Die Details eines möglichen Experiments mit den Simulationsergebnissen werden vorgestellt. Darüber hinaus wird das TGU-Schema unter FEL-Gesichtspunkten untersucht. Nach einem erfolgreichen Test des Prototyps TGU40 sollte die erste Demonstration des FEL-Laserexperiments mit einer TGU und einem Laser-Plasma-Beschleuniger als Strahlgenerator durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang wird eine Skalierungsstudie vorgestellt, um die minimale Strahlanforderung zum Erreichen der FEL-Leistung zu bestimmen. Die Skalierung erfolgt über einen möglichen Bereich der LPA-Parameter, der mit der aktuellen Technologie und einem optimierten LPA-Setup erreicht werden kann. Zusätzlich zu den oben genannten Studien wird ein kompakter Strahllinientransport eines LPA-Strahls zur TGU entworfen und der Einfluss der Strahllinie und kollektive Effekten wie Raumladung und kohärente Synchrotron Strahlung auf die Strahleigenschaften untersucht. Diese umfassende Studie legt die Grundlagen für ein mögliches Freie-Elektronen-Laserexperiment im Labormaßstab mit einem Laser-Plasma-Beschleuniger und einen TGU.
Free-electron lasers (FELs) are the fourth generation of synchrotron light sources operating in the ultraviolet and X-ray wavelength range. The large size and the high costs of such sources limit the handiness of them. Emerging new acceleration techniques in the recent years, opened the way to design more compact accelerators. Due to generation of high energy electron beams in a very short distance with a high peak current, laser-plasma accelerators (LPAs) are regarded as capable candidates for deriving FELs. The major problem with these types of accelerators is the relatively large energy distribution of the electrons within the beam. Such a large energy spread will hinder the FEL performance resulting in a reduction of the gain and the power. In this purpose, modified undulator schemes, so-called transverse gradient undulators (TGUs), were proposed. In this dissertation, the concept of a transverse gradient undulator is studied in detail. The concept relies on fulfilling the resonance condition for different particles’ energy within the beam. The resonance condition can be satisfied for all particles with different energies if the positions and the energies of the particles are related to the magnetic field gradient of the TGU. This can be done by introducing dispersion, which is matched to the TGU gradient. The first superconducting cylindrical TGU with 40 periods (TGU40) was built at Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and it was originally planned to perform an experiment with the ARES linac at SINBAD facility at DESY in order to test its capability in compensation of the energy spread. The detailed setup of the experiment with the simulation results are presented. Moreover, the TGU scheme is investigated from an FEL point of view. After a successful test of the prototype TGU40, the first demonstration of an FEL lasing experiment with a TGU and a laser-plasma accelerator as the beam generator should be performed. In this regard, a scaling study is presented in order to determine the minimum beam requirement for achieving FEL power. The scaling is done over a possible range of the LPA parameters which can be reached by the current technology and an optimized LPA setup. In addition to the mentioned above studies, a compact beam line transport to deliver LPA beam to the TGU is designed and the effect of the beam line and the collective effects like space-charge and coherent synchrotron radiation on the beam properties are investigated. This comprehensive study opens the way of demonstrating the possible lab-scale free-electron laser experiment with a laser-plasma accelerator.